浅谈大跨度PC连续刚构桥病害成因及加固技术

摘  要：近年来，我国高速公路的建设不仅促进了地区经济的增长，也为人们的出行提供了很大的便利。然而高速公路施工工期长、涉及环节多，具有一定的复杂性。基于此，本文结合某具体工程，对大跨度PC连续刚构桥病害成因及其加固技术进行研究与分析，以供参考。

关键词：大跨度;连续刚构桥;病害;成因;加固技术

中图分类号：U445.71    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2021）03-0000-00

1 工程概述

某高速公路连续刚构桥为预应力混凝土连续刚构桥，其总长为332m，该连续刚构桥的左右线采用分幅设置的方式，每幅都采用了单箱单室直腹板箱型截面。该连续刚构桥的相关结构及参数如表1所示：

该连续刚构桥在投入使用七年之后，其桥面出现了一定程度的下挠，同时还发现在其刚构中跨跨中区域的梁体底板与腹板出现了不同程度的开裂，经过全面的检查与确认，中跨跨中底板的横向裂缝宽度大致在0.15mm至0.3m的范围之内，其中部分突出的裂缝甚至达到了0.5mm，而腹板裂缝的最大缝宽为0.45mm。经过确认，该高速公路连续刚构桥的中跨跨中最大挠度约在20cm左右。待两年后再次对其进行检查，发现左幅桥一侧的墩顶箱室出现多条横向裂缝，其最大缝宽达到了0.8mm，而其他墩顶箱室均出现了一定程度的裂缝，既有横向裂缝，也有纵向裂缝，但裂缝的宽度相对较短。在这些裂缝中，已存在部分裂缝向着顶板或者腹板进行延伸的情况，经确认该桥跨中挠度较之之前又有所增加，增加幅度在3cm至5cm左右。针对这一情况，急需弄清连续刚构桥的病害原因，并据此采取针对性的加固措施。

2 连续刚构桥的病害成因

经过实际勘察与讨论，同时借鉴了国内外相关资料，确定该高速公路连续刚构桥出现病害的原因主要包含以下几方面：

（1）该桥的位置特殊，是附近大型货运车辆进城、出城的主要通道，且该路段车流量较大，达到了日行驶10万辆次，且有些货车存在着超载的情况，进而对连续刚构桥造成不良的影响;（2）该连续刚构桥竖向预应力损失较大，主拉应力超限，导致了混凝土腹板裂缝的产生;（3）在施工阶段，存在有徐变变形的情况，且同时伴有纵向预应力损失较大的情况，经过研究与讨论，导致这一问题的主要原因是节段悬浇的作业工期相对较短，这致使结构预应力降低，最终导致了跨中下挠以及腹板开裂的病害。

针对上述几个方面的原因，提出了加固思路：该高速公路连续刚构桥为预应力混凝土连续刚构桥，在施工时采用悬臂现浇的方式开展作业，该桥的主要受力部位为中墩墩顶主梁负弯矩区，因此基于上述病害的表现与原因，加固的重心应该放在体外预应力钢束的施加上，通过这种方法可以对全桥的纵向预应力进行有效恢复。除此之外，对于裂缝相对严重的部位可采取粘贴钢板等补强措施，以此来对裂缝的进一步发展做出有效限制，进而有效提升箱梁结构的承载能力。

3 连续刚构桥的加固设计策略

3.1 包络设计

该高速公路连续刚构桥的病害相对严重，无法对其真实状态做出准确地检测。因此为了解决这一问题，提出了三种状态：（1）该桥的全部纵向预应力筋处于设计状态;（2）参照类似项目的设计经验，考虑全桥纵向预应力损失10%至15%的范围;（3）中跨跨中底板预盈亏钢束应力损失50%，其余纵向预应力损失5%。

3.2 加固技术分析

（1）体外预应力加固法。通过体外预应力的施加，会促使箱梁断面混凝土的压应力储备得到一定程度的增加，这样一来，一方面会抑制裂缝的产生与发展，另一方面也可以对结构的承载能力进行有效的提高。具体加固措施如下：一共设置26束体外束，在这26束体外束中，通长束、中跨束以及每侧的中支点短束数量分别为4束、6束、8束，所有体外束均采用两端张拉的方式予以开展。体外预应力钢束采用环氧涂层钢绞线，并在其之上添加了PE护套。对于钢绞线而言，其抗拉强度的标准值为1860MPa，对于预应力筋，则是采用分级拉张的形式开展作业，同时需要注意對每级张拉力进行一定程度的控制，要求其不得超过总张拉力的四分之一。在对体外预应力筋进行转向时，需要借助转向器，而锚固则主要通过锚固块予以实现。需要说明的是，车辆通行有可能造成钢束振动过大的情况，为了避免这一现象，在原先设置的基础上还需要进一步沿着体外索设置好防振限位装置，同时注意对防振限位装置之间的距离做好控制，一般情况下控制在8m左右较为适宜[1]。除此之外，为了确保能够与原结构进行有效且便捷的连接，需要注意合理选择锚固与转向装置，应以混凝土结构装置为主，同时应该对其进行植筋处理，使其与原梁体结构有效连接。然而该连续刚构桥的预应力筋张拉力相对较大，因此在锚固区域会产生很大的局部应力。针对这一情况，为了保证结构的安全性与可靠性，还需要做好如下几个方面的细节处理：首先，在体外索中存在4束通长束锚固在梁端的横隔板处，在后箱梁内侧进行植筋操作，以此确保体外预应力传递的可靠性，并浇筑自密实混凝土;其次，针对顶板锚块位置局部应力相对较大的情况，为了防止锚后区混凝土发生一定程度的开裂，采取将锚后2.5m范围之内的顶板、腹板局部加厚的措施;最后，对于中支点短束锚固位置，其受力的复杂程度较高，针对这种情况为了对锚固的可靠性进行有效增加，可以在锚固处另外增设横隔板，横隔板的厚度在1m左右较为适宜，这样一来就可以对顶板的局部应力进行减少。（2）增大截面加固法。这一加固方法主要是通过加固构件截面与配筋的形式来实现构件强度、刚度与稳定性的增强，当构件刚度与强度得到增强之后，出现开裂的可能性将大大降低。由于设置了体外预应力钢束，刚构双薄壁墩和承台的受力有所增加，这样一来，原来结构的配筋则无法适用。针对这种情况，便可以运用增大面积加固法对中墩墩顶、墩底以及承台顶面进行有效的加固。（3）粘贴钢板加固法。对于钢筋混凝土的薄弱部位，可以采取粘结剂对钢板进行粘贴或者灌注，这样做的目的是可以使其与原结构一起共同受力，进而对其刚度进行有效的增加，促使钢筋与混凝土的应力发生改变。这样一来，已有裂缝的进一步发展与延伸则会得到有效遏制，实现了桥梁承载能力加强的效果[2]。

4 加固设计计算结果分析

对于该连续刚构桥的上部结构与下部结构，均采用平面杆系单元。综合考虑到桥梁的實际情况，对原结构中的相关系数做出了一定程度的调整。

4.1 初始状态模拟分析

针对不同状态做出了模拟分析与计算：跨中三个节段相关参数发生变化时，计算出跨中下挠值，并将计算出的值与实际下挠值进行对比。当抗弯刚度下降30%、预应力损失达到15%时，所计算出的跨中计算下挠值为201.5m，此数据与实际下挠值基本相符;当抗弯刚度下降30%、中跨跨中底板束损失50%，其余预应力束损失达到了5%时，经过计算得出下挠值为171.6mm，这一数据也与实际数据相对接近。根据这两组下挠值的计算数据可以推断：该高速公路联系刚构桥的实际受力状态便是上文中论述的状态二与状态三的初始状态[3]。

4.2 计算结果分析

三种状态下体外预应力钢束的控制应力见表2所示：

根据表2中的相关数据可以发现：在各个受力状态最不利工况下的钢束应力值均在 ，而且其最大钢束应力幅仅仅为8.37MPa。由此可见，通过体外索张拉的方式，箱梁竖向下挠度并没有完全恢复，中跨跨中上拱的数值为58mm，与该桥已发生的跨中挠度存在着较大程度的差异。

4.3 加固效果分析

通过对相应的加固技术进行合理应用，梁体的挠度虽然没有得到完全的恢复，但做出了一定程度的改善，主要体现在截面承载能力的增强，无论是极限状态还是正常使用都得到了改善，能够合理满足相关设计规范要求。

4.4 施工监控

针对连续刚构桥而言，采用体外加固的方式具有一定的复杂性，其难度也相对较大。由于箱梁内存在一定的缺陷与损伤，在这种情况之下其内力和应力都已经发生了一定程度的改变，在这种情况之下难以精准地把握相应结构的强度与刚度。因此本文在设计过程中，将现有的检测数据与原始设计资料进行结合，并由此来对当前状况下结构的受力状态做出一定程度的推测，而推断的准确性十分重要，它能够直接影响到后续所采用加固措施的合理性与有效性。基于该点的考虑，在实际的加固施工过程中，需要采取科学、合理且有效的监测措施，只有这样才能对结构的安全性进行保障。监控所涉及的内容较为广泛，主要包含有主梁应力监控、锚固点与转向点局部的应力监控、中墩墩顶与墩底的应力监控、张拉过程中的裂缝监控、主梁挠度监控、中墩墩顶位移监控以及支点应力监控等。在实际操作之后，发现对各个流程进行全面且有效的监测与监控之后，各个阶段在加固过程中应力与位移和设计中的计算结果基本保持一致，这也对设计计算结果的准确性作出了有效的验证[4]。

5 结语

本文结合某具体工程，对大跨度PC连续刚构桥病害成因及其加固技术进行研究与分析。首先对工程概况进行了一定的介绍，提出了某高速公路连续钢构桥出现下挠与裂缝的病害问题，并在第二次检查中病害有加重的趋势。其次对连续刚构桥病害的具体成因进行了阐述，主要包含有车流量大造成荷载增加、竖向预应力损失较大、结构预应力度降低等。然后针对这些问题提出了相应的加固设计，运用到了体外预应力加固法、增大截面加固法与粘贴钢板加固法。最后运用数学模型进行了计算，并对计算结果进行了分析，得出结论：在运用加固技术对桥梁进行一定程度的加固后，虽未完全恢复梁体的挠度，但对于截面的承载能力而言，已经得到了较为明显的改善。此外，通过对加固前与加固后的荷载进行对比分析可知：通过施加体外预应力的方法，可以有效改善截面局部的受力状态，且结构的刚度得到了较大程度的提升。

参考文献

[1] 张帆.大跨度连续刚构桥的病害原因分析及加固设计[J].南方农机，2018（6）：221.

[2] 李辉.大跨度连续刚构桥的病害原因分析及加固设计[J].铁道标准设计，2011（4）：52-54.

[3] 龙利宏.大跨度连续刚构桥常见病害及成因分析[J].四川水泥，2019（3）：277.

[4] 程炜，周超民.大跨度PC连续刚构桥病害成因分析及加固研究[J].公路，2020（4）：184-186.

收稿日期：2021-02-08

作者简介：刘国强（1987—），男，四川宜宾人，本科，研究方向：桥梁设计。

Abstract： In recent years， China's highway construction not only promotes the growth of regional economy， but also provides great convenience for people's travel. However， the highway construction period is long and involves many links， which has certain complexity. Based on this， in this paper combined with a specific project， this paper studies and analyzes the causes of disease and reinforcement technology of long-span PC continuous rigid frame bridge， for reference.

Keywords： Long span; Continuous rigid frame bridge; Disease; Causes; Reinforcement technology